Основные виды физических полей, взаимодействующих с биообъектами

1.1 Волновые и квантовые свойства электромагнитного излучения.

Энергетические уровни атомов и молекул и переходы между ними

Электромагнитное излучение представляет собой важнейшее из полей, взаимодействующих с биообъектами. Это обусловлено как тем, что все живое на Земле, как и сама Земля, существует при необходимом условии воздействия излучения Солнца, так и тем, что само наличие электромагнитного поля как особой формы существования материи не подлежит сомнению. Живые организмы в процессе эволюции многократно адаптировались к изменяющейся «электромагнитной обстановке». На поверхности Земли обитает около полутора миллионов видов живых организмов, и все они существуют благодаря солнечному излучению.

Электромагнитное поле является наиболее изученным и наиболее широко используемым в человеческой деятельности видом полей. При всем том необходимо отметить, что в ХХ веке ситуация с «электромагнитной средой» на Земле оказалась весьма отличной от той, с которой живые организмы сталкивались в течение многих миллионов лет эволюции. Появилось множество антропогенных излучений.

Повышенный в сравнении с естественным фоном уровень «искусственного» электромагнитного излучения эквивалентен появлению на поверхности Земли дополнительной электромагнитной энергии, величина которой непрерывно возрастает. Эта энергия в принципе может и должна «заинтересовать» биологические системы либо в плане выработки общего адаптационного синдрома (типа стрессовой реакции), либо адаптироваться к воздействию подобно фотосинтезу. Прошедший век, очевидно, представляет собой слишком маленький срок для реализации столь масштабной программы, но задумываться над проблемой необходимо уже сейчас. Следовательно, изучение взаимодействия электромагнитных полей с биообъектами приобрело в настоящее время особую актуальность.

Напомним основные свойства электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение обладает как волновыми, так и квантовыми свойствами (проявляет корпускулярно-волновой дуализм). Согласно теории Максвелла, векторы  и  переменного электромагнитного поля удовлетво-ряют в однородной, изотропной и непроводящей среде волновому уравнению:

                  (1.1)

Здесь D = ¶²/¶x²+¶²/¶y²+¶²/¶z² = ¶²/¶   — оператор Лапласа, ε, μ — диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, ε₀, μ₀ — диэлектрическая и магнитная постоянные вакуума.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) Английский физик, один из наиболее выдающихся физиков-теоретиков в истории. Создатель электромагнитной теории — фундамента современных представлений науки и техники. Эпохальным достижением Максвелла является также создание молекулярно-кинетической теории газов, в рамках которой он дал статистическое описание второго начала термодинамики, кинетических явлений и ряда других эффектов, объединив их в единую концепцию.

Волновые уравнения для полей имеют решение

,

где w =2 p n — циклическая частота колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей  и ; n — частота этих колебаний, k=2 p/ l — волновой вектор; l = c/ n — длина волны, с — скорость света в вакууме: = 2,9979·10⁸ м/с.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве с фазовой скоростью , являются поперечными: ; ^ ; ^ ; векторы  и  колеблются в одной фазе и образуют с вектором скорости правую тройку векторов, а их модули связаны соотношением

                                               (1.2)

Монохроматической называется волна, векторы  и  в которой колеблются только с одной определенной частотой.

Одним из важнейших выводов теории Максвелла явилась электромагнитная природа света. Процессы, вызываемые светом в веществе, связаны с действием электромагнитного поля световой волны на заряженные частицы вещества — электроны и ионы. Поскольку частота видимого и более коротковолнового света достаточно велика (n ~10¹⁵ Гц), то сколь-нибудь значительные по амплитуде вынужденные колебания могут совершать только электроны. Сила, действующая на электроны со стороны электромагнитного поля  называется обобщенной силой Лоренца. Здесь е и   — заряд и скорость электрона; — вектор магнитной индукции электромагнитного поля. Абсолютная величина магнитной составляющей силы  много меньше ее электрической составляющей: mm ₀ £ mm ₀ v₁ H = (v ₁ / v) E << E, так как скорость распространения электромагнитной волны v ~10⁸ м/с, а скорость электрона в атоме при вынужденных колебаниях под действием света v₁ ~ 10⁶ м/с, следовательно, .

Интенсивность электромагнитной волны – физическая величина I, численно равная энергии, которую переносит волна за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны:

; I = < ε> v;

Николай Алексеевич Умов (1846-1915) Русский физик, профессор Московского университета в 1893-1911 г.г. Автор классических трудов по теории колебательных процессов, электромагнетизму, оптике, молекулярной физике, физике Земли. Создатель учения о движении энергии, в рамках которого сформулировал понятие потока и плотности энергии, пространственной локализации энергии (1874). Предсказал (1888) сложность строения атомов и их возможные эволюции — задолго до классических экспериментов Резерфорда. Определил динамику земного магнетизма. В 1911 г. оставил Московский университет в знак протеста против реакционных действий царского министра просвещения Л.А. Кассо.

где  — вектор Умова–Пойнтинга; v — фазовая скорость волны; < ε > — среднее значение объемной плотности энергии поля волны.

    Для плоской линейно поляризованной монохроматической бегущей волны

,,

Джон Генри Пойнтинг (1852-1914) Английский физик, профессор Бирмингемского университета (с 1888). Автор исследований по электромагнетизму, космологии, теории относительности. Ввел понятие потока энергии электромагнитного поля, обобщил закон сохранения энергии на электродинамику (1884). Обнаружил спиральную траекторию падения космической пыли на Солнце в масштабах Солнечной системы, явление получило название эффекта Робертсона-Пойнтинга (1903). В честь Пойнтинга назван кратер на Луне, кратеры на Марсе, имя Пойнтинга присвоено главному зданию физического факультета Бирмингемского университета.

где  – амплитуда колебаний вектора .

 

Волновая природа излучения наиболее отчетливо выражается в явлениях дифракции и интерференции. Для наблюдения этих явлений большое значение имеют временнáя и пространственная когерентность колебаний.

Временнáя когерентность — сохранение фазовых соотношений между ко-лебаниями в одной и той же точке пространства в различные моменты времени. Пространственная когерентность — сохранение фазовых соотношений между колебаниями, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Волновой природой света объясняется также поляризация электромагнитного излучения. Плоско-поляризованным называется свет, у которого вектор  ориентирован преимущественно в одном направлении, так что через него и направление распространения волны можно провести плоскость (плоскость поляризации). Плоскость поляризации может изменять свое положение в процессе распространения волны, тогда ее координаты зависят от времени. В случае, когда изменение плоскости поляризации в процессе распространения волны описывается известной функцией, говорят об эллиптически поляризованном, циркульно поляризованном и т.п. свете.

Степень поляризации определяется как

P=(I _// - I _^ )/(I _// + I _^ ),

где I _//, I _^ - интенсивности света, пропущенного анализатором, ориентированным параллельно и перпендикулярно плоскости максимальной поляризации падающего света.

При рассмотрении элементарных взаимодействий необходимо представление света в виде потока частиц (фотонов).

Макс Планк (1858-1947) Немецкий физик, основоположник квантовой теории строения вещества. Лауреат Нобелевской премии по физике (1918) за открытие квантования энергии и описание законов теплового излучения.

Уравнение Планка для энергии фотона: Е = h n = hc/ l, где h — постоянная Планка. Импульс фотона: p = h n / c = h/ l.

Корпускулярными свойствами света удалось объяснить явление фотоэффекта (вылет электронов с поверхности металла в вакуум под действием света):

h n = A _вых + m_e v²/2,                                       (1.3)

(здесь A _вых— работа выхода электрона из металла, m_e v²/2 — максимальная кинетическая энергия электрона после вылета из металла, m_e — масса электрона); а также эффект Комптона (рассеяние рентгеновского и γ-излучения в среде с изменением длины волны излучения):

l_расс – l_пад = l_К(1 – cosq) = 2l _К sin²(q/2)                    (1.4)

где q — угол рассеяния; l_К = h/ m_ec.

Артур Комптон (1892-1962) Американский физик, член национальной АН (1927). Лауреат Нобелевской премии (1927) за открытие эффекта изменения длины рентгеновского излучения при рассеянии на электронах. Автор ряда фундаментальных исследований по рентгеноструктурному анализу, ядерной физике, физике космических излучений. Член ряда академий и научных обществ.

По мере развития квантовых представлений корпускулярно-волновой дуализм был распространён Луи де Бройлем и на частицы, имеющие, в отличие от фотона, массу покоя. Согласно предложенной де Бройлем теории, движение частицы (например, электрона) подобно волновому процессу с длиной волны .

Луи де Бройль (1892-1987) Выдающийся французский физик-теоретик, один из создателей современной квантовой физики, член Парижской АН (1933), лауреат Нобелевской премии (1929) за открытие корпускулярно-волнового дуализма электронов. На основе идеи корпускулярно-волнового дуализма дал совершенно новую картину мира, основанную на философских обобщениях физических принципов. Член ряда академий и научных обществ, в т.ч. АН СССР (1958).

В 1927 году гипотеза де Бройля получила подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера по рассеянию пучка электронов на монокристалле никеля, затем в 1928 г. — в опытах Дж.Томсона и П.С. Тартаковского на металлической фольге. На фотопластинке, поставленной за фольгой, получалась картина с центральным пятном, окружённым интерференционными кольцами. Она с хорошей точностью совпадала с дифракционными картинами для РИ. Из анализа электронограмм были получены λ_Б, хорошо совпадающие с рассчитанными по формуле де Бройля. Томсон показал, что дифракционная картина образовывалась самими электронами, а не вторичным РИ, возбуждаемым ими: при включении магнитного поля вся дифракционная картина смещалась и искажалась.

В нерелятивистской квантовой механике движение частиц описывается волновой функцией y (x, y, z, t), введенной Э. Шрёдингером. Согласно теории Шрёдингера, вероятность нахождения частицы в некотором малом объеме dxdydz зависит от квадрата модуля волновой функции:

dW=| y |² dxdydz.

Найти y можно, решив основное уравнение нерелятивистской квантовой механики — уравнение Шрёдингера

;                              (1.5)

где ε — полная энергия частицы массы m в стационарном состоянии; U _пот — потенциальная энергия частицы, которая определяется силовым полем, в котором находится частица.

Эрвин Шрёдингер (1887-1961) Выдающийся австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Автор фундаментальных трудов по статистической физике, квантовой теории, общей теории относительности, биофизике. Разработал (1926) общую теорию движения микрочастиц, в основу которой положил свое знаменитое уравнение, ставшее основным уравнением квантовой механики. Доказал эквивалентность концепций волновой и матричной механики, разработанной В. Гейзенбергом и П. Иорданом. Построил квантовую теорию возмущений. За создание волновой механики удостоен (1933) Нобелевской премии (совместно с П. Дираком). Впоследствии внес большой вклад в разработку общей теории относительности, единой теории поля, физики живых систем. Член ряда академий и научных обществ, в т.ч. АН СССР (1934)

На решение уравнения Шрёдингера для y накладываются естественные ограничения: y ( r ) и ее первые пространственные производные должны быть конечны, однозначны и непрерывны. Значения ε, при которых уравнение Шрёдингера имеет решение, называют собственными значениями ε для уравнения Шрёдингера, а соответствующие им решения — собственными функциями. Собственные значения ε принимаются за возможные значения энергии в стационарных состояниях. При ε < 0 собственные значения энергии образуют дискретный спектр, и частица совершает финитное движение в ограниченной части пространства (например, в потенциальной яме). При ε > 0 энергетический спектр частицы непрерывный, и движение частицы инфинитно.

Решение уравнения Шрёдингера для электрона в потенциальной яме приводит к конкретным возможным значениям волновой функции y и энергии, которую может иметь электрон при своем движении вокруг ядра атома. Соответственно и атом может иметь набор уровней возможных значений полной энергии, которые характеризуются квантовыми числами (главным, орбитальным, магнитным, спиновым и т.д.). Уравнение Шрёдингера для водородоподобного атома (частица, движущаяся в центральном силовом поле) имеет точное решение.

Ещё до создания квантовой механики теорию атома водорода и водородо-подобных атомов предложил Н. Бор в 1913 г. Согласно этой теории атом может поглощать и излучать кванты только определенной энергии (частоты):

Нильс Хендрик Бор (1885-1962) Выдающийся физик-теоретик, один из создателей современной квантовой физики. Ученик Дж. Дж. Томсона и Э. Резерфорда, создатель мировой школы физиков (Института Нильса Бора). Создатель первой квантовой модели атома, за что удостоен Нобелевской премии (1922). Установил ряд фундаментальных принципов, на которых строится современная физика (принцип соответствия, принцип дополнительности и др.) Внес большой вклад в теорию атомного ядра. Член более 20 академий наук мира, в т.ч. АН СССР (1929).

Рис. 1.1 Энергетические уровни молекул.

h n _nm = ε _n – ε _m,

где (ε _n – ε _m) – разность энергий атома в двух стационарных состояниях.

Теория Бора явилась предвестником кван-товой механики, в которой квантование энергии получается в результате решения уравнения Шрёдингера и приводит к правилу частот Бора.

Энергетические уровни молекул сложнее атомных и включают уровни, соответствующие электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы (рис. 1.1). Энергетические состояния, в которых может находиться молекула, характеризуются системой волновых функций {y _n }, являющихся решениями уравнений Шрёдингера для стационарных состояний

Ĥ y _n = ε _n y _n,

где Ĥ – полный квантовомеханический гамильтониан.

Расстояние между электронными уровнями энергии (a´ и a´´) составляет несколько электрон-вольт, между соседними колебательными уровнями (V´ и V´´) 10^-2 …10^-1 эВ, между соседними вращательными уровнями (J´ и J´´) 10^-5… 10^-3 эВ (см. рис. 1.1).

Теоретическое описание структуры молекулярных уровней кажется невы-полнимой задачей (точное решение уравнение Шрёдингера можно получить только для трех задач квантовой механики: водородоподобного атома, плоского ротатора и гармонического осциллятора. Все остальное — результат примене-ния приближённых методов расчета). Однако при грамотном построении _изиически оправданных приближённых моделей расчет молекулярных спектров с вполне достаточной для практических применений точностью может быть проведен. К этому располагают следующие соображения.

При поглощении фотона молекулой он взаимодействует с атомом или группой атомов и индуцирует переходы между квантовыми состояниями. Поглощение имеет место при выполнении двух условий:

— для данного состояния молекулы с энергией ε _m должно быть такое состояние с энергией ε _n, что h n _nm = ε _n – ε _m;

— между электрической компонентой падающего излучения и хромофором (молекулой, поглощающей свет) должно быть специфической взаимодействие, которое приводит к изменению дипольного момента молекулы в процессе перехода, т.е. интеграл переходного момента, определяемый как , должен отличаться от 0. Здесь y _n и y _m – волновые функции состояний m и n,  – оператор электрического дипольного момента: , где е – заряд электрона, – вектор соответствующий оператору дипольного момента i –го электрона.

Если указанные два условия выполнены, то вероятность поглощения пропорциональна | R_mn|². В случае, когда интеграл переходного момента (иначе называемый интегралом перекрытия) велик, переходы с высокой вероятностью поглощения считаются разрешенными. Если интеграл перекрытия равен 0 или пренебрежимо мал по сравнению с соответствующим интегралом пребывания молекулы в собственном состоянии, то переход запрещён.

Уравнение Шрёдингера точно не решается даже для самых простых молекул. Поэтому для приближенного решения уравнения Шрёдингера наиболее часто применяется приближение Борна-Оппенгеймера, заключающееся в том, что волновая функция предполагается факторизованной:

Ψ ≈ φχ S,                                                      (1.6)

здесь φ — электронная часть волновой функции, χ — ядерная, S — спиновая.

Макс Борн (1882-1970) Немецкий физик-теоретик, один из основателей современной физики. Работы Борна носят энциклопедический характер: физика конденсированных сред, релятивистская механика, атомная и ядерная физика, квантовая теория. Разработал операторный формализм в квантовой физике, используемый для решения проблем строения атомов и молекул, физики твердого тела; ввел ряд понятий и методов расчета, носящих его имя. Лауреат Нобелевской премии (1954) за цикл работ по квантовой теории. Создатель знаменитой Геттингенской физической школы. Член многих академий наук и научных обществ мира, в т.ч. АН СССР (1934)

Юлиус Роберт Оппенгеймер (1904-1967) Американский физик-теоретик, член Национальной АН (1941). Ученик Э. Резерфорда и М. Борна. Научный руководитель Манхэттенского проекта создания атомной бомбы, руководитель Лос-Аламосской лаборатории (1943-1945). За выступления против создания водородной бомбы и за мирное использование ядерной энергии снят со всех постов и обвинён в нелояльности (1953). Автор многих фундаментальных работ по ядерной физике, квантовой механике, теории относительности, физике космических излучений, астрофизике, физике элементарных частиц. Работы последних лет (1963-1967) посвящены философским проблемам естествознания. Основатель Берклиевской научной школы. Член ряда академий и научных обществ. Лауреат премии Э.Ферми (1963)

Тогда интеграл для R _mn распадается на орбитальную, колебательную и спиновую компоненты:

.

Смысл приближения Борна-Оппенгеймера достаточно прозрачен: с одной стороны, сложная задача нахождения молекулярных спектров сводится к совокупности трёх «классических» задач квантовой механики: водородоподобный атом, гармонический осциллятор и плоский ротатор; с другой стороны, применяется традиционный прием решения уравнений математической физики, сводящий уравнение в частных производных к совокупности обыкновенных дифференциальных уравнений. В результате появляется возможность вычисления молекулярных спектров во вроде бы совершенно безнадёжной изначально ситуации.

Сформулируем общие «правила запрета» для переходов между уровнями энергии:

1. Симметрия. Переход будем считать запрещённым, если произведение симметричных частей φ _m и φ _n дает интеграл, являющийся нечётной функцией координат.

2. Перекрывание. Переход считается пространственно запрещённым, если две орбитали φ _m и φ _n, которые участвуют в переходе, не имеют одновременно больших и находящихся в фазе амплитуд в одной и той же области пространства. Степень перекрытия характеризуется фактором Франка-Кондона [8], основанном на их же принципе: время, необходимое для поглощения фотона и перехода электрона в возбуждённое состояние, малό по сравнению с периодом колебаний ядер атомов, составляющих молекулу, поэтому за время поглощения фотона можно считать ядра неподвижными, а их кинетическую энергию и импульс — неизменными. Вместе с тем в зависимости от соотношения между временем поглощения фотона (порядка 10^-15 с) и периодом ядерных колебаний (меняющимся в значительных пределах — от 10^-13 до 10^-10 с) степень перекрытия «электронных облаков» может быть с достаточной точностью оценена и выражена количественно в виде упомянутого фактора.

3. Спин. Переход, в котором S _m ≠ S _n, запрещен по спину.

Последнее правило самое строгое, однако, поскольку для больших молекул приближение Борна-Оппенгеймера выполняется неточно, т.е. факторизация волновой функции неполная, абсолютного запрета нет. Переход, запрещённый по спину, в 10⁴-10⁶ раз менее вероятен, чем разрешённый. По перекрыванию это отношение вероятностей составляет 10-10³, по симметрии – 10-10². Указанные запреты отражаются на времени жизни соответствующих состояний молекулы относительно рассматриваемого перехода.

Илья Михайлович Франк (1908-1990) Советский физик, академик (1968). Директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ в г. Дубне (с 1957), зав. лабораторией ИЯИ АН СССР (с 1971). Профессор МГУ им. М.В. Ломоносова (с 1940). Труды в области физической оптики, нейтронной и ядерной физики низких энергий. Разработал совместно с И.Е. Таммом теорию излучения Вавилова-Черенкова, за что удостоен Нобелевской премии (1958, совместно с И.Е. Таммом и П.А. Черенковым). Создал школу физиков. Лауреат Государственной премии СССР (1954, 1971). Награжден Золотой медалью С.И. Вавилова (1980).

Эдвард Кондон (1902-1974) Американский физик, член Национальной АН (1944). Автор работ по квантовой механике, атомной и ядерной физике, молекулярной спектроскопии, теории твердого тела. Член ряда иностранных академий и научных обществ.

Основное взаимодействие между электроном и ядром атома есть электронно-статическое взаимодействие их зарядов. Но поскольку электрон движется относительно ядра, возникает дополнительное взаимодействие, обусловленное спином электрона и нахождением электрона на разрешённой орбите. Его называют спин-орбитальным взаимодействием. Оно вызывает возмущение системы в целом. Расщепление энергетического уровня в результате спин-орбитального взаимодействия называют тонкой структурой уровня. Тонкая структура в отсутствие внешних магнитных и электрических полей не проявляется, поскольку указанное взаимодействие не изменяет собственных значений энергии электрона. Однако при наличии таковых она становится наблюдаемой (эффект Зеемана и эффект Штарка соответственно).

 

Совокупность подуровней, на которые может расщепляется рассматриваемый уровень, называется мультиплетом. В зависимости от числа подуровней

Иоганн Штарк (1874-1957) Немецкий физик, член Берлинской АН, лауреат Нобелевской премии (1919) за открытие эффекта расщепления спектральных линий в электрическом поле. Автор работ по оптике, атомной физике, физической химии. Активный сторонник нацистского режима в Германии, член НСДАП. Ярый противник теории относительности, участник травли Эйнштейна.

Питер Зееман (1865-1943) Нидерландский физик, один из наиболее выдающихся экспериментаторов рубежа ХIХ-XX веков, член Нидерландской АН, лауреат Нобелевской премии (1902) за открытие эффекта расщепления спектральных линий в магнитном поле. Автор работ по оптике, магнитооптике, атомной спектроскопии.

мультиплета различают дублеты, триплеты, квартеты и т.д. Простые уровни, не расщепляющиеся на подуровни, называют синглетами.

Синглетное состояние — основное состояние большинства молекулярных систем. Это состояние, в котором все внешние электроны спарены.

Триплетное состояние — состояние с одним неспаренным электроном. Непосредственный переход синглет-триплет запрещён по спину. Триплет, тем не менее, может быть заселён за счёт переворота спина электрона в возбуждённом синглетном состоянии за счёт спин-орбитальных взаимодействий. Этот процесс называется интеркомбинационной конверсией.

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испускани-ем фотона, различают спонтанное (внутренние причины) и вынужденное (индуцированное, вызванное взаимодействием фотона с возбуждённой частицей) излучение. Вероятность спонтанного перехода обратно пропорциональна времени жизни системы в данном квантовом состоянии.

Все тела испускают электромагнитные волны, интенсивность и степень поляризации которых в различных участках спектра определяется температурой тела и его поглощательной способностью в соответствии с законом Кирхгофа. Такое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом и называется тепловым. Помимо этого многие тела под влиянием

Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) Немецкий физик, член Берлинской АН (1874), член-корреспондент Петербургской АН (1862), автор фундаментальных трудов по оптике, электродинамике, механике и др. Основоположник оптического спектрального анализа, автор одного из основных законов теплового излучения (1859).

внешних возбудителей дают избыточное излучение, не определяющееся температурой тела (свечение экранов, живых организмов и др.).

Люминесценция — избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период колебаний (10^-15 с) излучаемых световых волн. Вещества, в которых возбуждается люминесценция, называются люминофорами. Различают несколько видов люминесценции по типу возбуждения, в том числе:

1) фотолюминесценцию, возникающую при освещении люминофора видимым светом или ультрафиолетовым излучением;

2) рентгенолюминесценцию, которая появляется при облучении рентгеновскими или γ-лучами;

3) хемилюминесценцию — свечение тел при химических реакциях;

4) катодолюминесценцию — свечение люминофора при бомбардировке его электронами;

5) радиолюминесценцию — свечение под действием излучений, имеющих место при радиоактивном распаде;

6) электролюминесценцию — свечение люминофора под действием электрического поля и др.

Приведённое перечисление ни в коем случае не исчерпывает список видов люминесценции, поскольку каждому из них посвящена обширная литература, и даже её поверхностный обзор вывел бы далеко за рамки данного курса.

Излучаемая при люминесценции атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая — спектр поглощения. Спектр испускания обычно смещён по отношению к спектру поглощения в сторону длинных волн (правило Стокса). Молекулярные спектры изучаются экспериментально с помощью спектрографов и спектрометров со стеклянной (для видимой области) и кварцевой (для ультрафиолета) оптикой, в которой для разложения света в спектр применяют призмы или дифракционные решётки. Молекулярные спектры применяют в спектральном анализе для определения состава и концентрации вещества. Более подробно явление люминесценции будет рас

Джордж Габриэль Стокс (1819-1903) Английский физик и математик, член Лондонского Королевского общества (1851), секретарь (1854-1885), Президент (1885-1890). Профессор Кембриджского университета (с 1849). Работы по гидродинамике, оптике, спектроскопии, математической физике. Член Парижской АН. Награжден медалями Копли (1851, 1903), Румфорда (1852).

смотрено ниже.

 

Существуют также безызлучательные переходы. Они происходят при взаимодействии атома или молекулы с другими частицами, например, в процессе столкновения. Различают неупругие столкновения, при которых изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругие столкновения, происходящие с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состояния.

1.2 Шкала электромагнитных волн.

Краткие сведения о действии электромагнитного излучения

на биологические объекты и системы в различных диапазонах

В зависимости от частоты ν или длины волны λ в вакууме, а также от способа изучения и регистрации излучения различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение, рентгеновское и γ- излучение.

В табл. 1.1 представлены основные характеристики, механизмы излучения, виды взаимодействия с биообъектами и применение в медицине электромагнитных волн соответствующих диапазонов. В табл. 1.2 и 1.3 описано действие электромагнитных излучений на биообъекты и системы, использование излучений в биологических исследованиях.

Рис. 1.2. Степень прозрачности слоя мягкой биоткани организма толщиной 20...25 см для различных длин волн

На рис. 1.2 показана степень прозрачности для организма, имеющего поперечник в 20-25 см, для различных длин волн.

Белки выполняют в живой клетке многочисленные функции, входят в состав всех клеточных органелл, их содержание составляет 50% и более сухой массы живых организмов. Следовательно, при действии света и ионизирующих излучений белки принимают на себя основную лучевую нагрузку и являются в этом смысле главной химической мишенью действия излучений. Основную биологическую мишень представляют собой молекулы ДНК[1], благодаря их ключевой роли в функционировании клетки в целом. Для устранения повреждений ДНК в клетке существует система репарации (восстановления повреждённых участков биоструктур силами самой клетки). В то же время повреждённая ДНК в клетке подвергается атаке ферментных систем, усугубляющих действие излучений, и системы репарации могут оказаться неконкурентоспособными поскольку не успевают восстановить структуру ДНК. Именно повреждения ДНК и приводит в большинстве случаев к конечным биологическим эффектам.

Дадим краткую характеристику видов электромагнитного излучения и его действия на объекты.

Радиоволнами называют волны с длиной волны l > 5·10^-5 м. В связи с особенностями распространения и генерации весь диапазон радиоволн принято делить на 9 поддиапазонов. Основным источником естественного фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы и т.п.), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность радиофона на Земле имеет порядок 10^-11 Вт/см².

Оптическим излучением называют электромагнитное излучение с длиной волны l = 10…10⁶ нм. Оно включает инфракрасное (ИК) излучение с длиной волны l = 760…10⁶ нм, видимое излучение с длиной волны l = 400…760 нм, которое характеризуется восприятием органами зрения, и ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны l = 10…400 нм.

Диапазоны УФ-излучения и ИК-излучения подразделяют на: вакуумный УФ-С-диапазон с длиной волны менее 280 нм; жесткий УФ-В-диапазон с длиной волны 280…315 нм; мягкий УФ-А-диапазон с длиной волны 315…400 нм; ближний ИК-диапазон с длиной волны 760…1400 нм; средний ИК-диапазон с длиной волны 1400…3000 нм и дальний ИК-диапазон с длиной волны более 3000 нм.

Таблица 1.1
Вид излучения		Длина волны	Энергия кванта, эВ	Механизмы излучений	Действие на вещество		Применение в медицине
Микро-волновое		103м – 1мм	1,2·10-9 - 1,2·10-4	Движение зарядов с ускорением	Поляризация диэлектриков, возникновение токов проводимости в биологических жидкостях		УВЧ-терапия СВЧ-терапия Эндорадиозонды	Диагностика с помощью картирования тепловых полей организма
Инфракрасное		1мм – 0,76мкм	1,2·10-4 – 1,6	Излучение молекул и атомов	Фотобио-логические процессы.	Активация термо-рецепторов	Тепловое лечение
Видимый свет		760 – 380нм	1,6 – 3,3			Активация зрительных рецепторов	Светолечение Лазерная терапия	Люминесцент-ные методы диагностики
Ультрафио-летовое	Ионизирующие излучения	380 – 10нм	3,3 - 120	Излучение атомов		Фотохими-ческие реакции на поверх-ности кожи	Светолечение, УФ- терапия. Синтез витамина D
Рентгеновс-кое		80 – 10-4 нм	10 – 0,5·106		Когерентное рассеяние

Ионизация

Фото- и комптон – эффекты

 

Образование пар